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Elektrischer Überstromselbstschalter
Die in leistungsstarken Anlagen auftretenden Kurzschlussströme erreichen bereits Werte in der Grössenordnung von los A. Neben der damit verbundenen thermischen Beanspruchung der Anlagenteile wirken sich insbesondere die vom Kurzschlussstrom hervorgerufenen elektrodynamischen Kräfte ausserordentlich schädlich aus. Auch die Schaltgeräte, welche die Anlage schützen sollen, müssen wie diese den, Kräften standhalten. wenn sie nicht zerstört werden sollen. Bekanntlich wirken die elektrodynamischen Kräfte im Sinne einer Kontaktabhebung, die insbesondere bei Drehstrom in den meisten Fällen ein Verschweissen der Kontakte zur Folge hat. Die Verschweissung führt jedoch zur Verhinderung des Abschaltens und macht somit die Funktion des Schalters unmöglich.
Da der Ausschaltverzug der bisherigen Überstromselbstschalter für Drehstromanlagen in der Grössenordnung von 20 bis40 ms liegt, kann sich stets der Kurzschlussstrom ungestört ausbilden und auf Anlage und Schalter voll wirksam werden. Die Schaltstücke heben dann beim Überschreiten eines bestimmten Stromwertes in jeder Halbwelle ab und schliessen sich beim Stromnulldurchgang wieder. Der bei jeder Abhebung entstehende Kurzschlusslichtbogen schädigt durch starken Abbrand die Kontakte, und schliesslich verschweissen die an der Stromübergangsstelle verflüssigten Kontakte miteinander.
Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, die elektrodynamische Kontaktabhebung zu beseitigen.
Insbesondere wurden zahlreiche Anordnungen bekannt, bei denen eine Kompensation der kontaktabhebenden Kräfte dadurch erreicht werden sollte, dass sich durch geeignete Wahl der Stromführung eine Kontaktkraftverstärkung ergibt, die die Abhebekraft aufheben soll.
In den meisten Fällen ordnete man einen Teil der Strombahn in Schleifenform an, zwischen deren Hin- und Rückführung beim Stromdurchgang abstossende Kräfte auftreten, die man auf die Kontaktstelle im Sinne einer Kontaktkraftverstärkung wirken lässt. Schliesslich ist eine derartige Kompensation nur bis zu bestimmten Strömen wirksam, oberhalb der sie versagt, weil die Kräfte an der Stromengstelle zu hoch werden oder die an der Übergangsstelle erzeugte Wärme zu gross wird.
Um bei den hohen Kurzschlussströmen noch funktionstüchtige Schaltgeräte zu erhalten, muss neben der Kompensation mit ausserordentlich hohen Kontaktkräften gearbeitet werden, die es gestatten, dass während des Ausschaltverzuges der Kurzschlussstrom über die Kontakte fliesst, ohne Schäden an diesen hervorzurufen. Das bedingt unwirtschaftlich schwere Schalterkonstruktionen. Aber nicht nur das Schaltgerät muss für den Kurzschlussstrom dimensioniert werden.
Da dieses den Kurzschlussstrom in seiner Höhe nicht begrenzt, ist auch der gesamte vom Kurzschlussstrom erfasste Teil der Anlage so zubemessen, dass er den dynamischen Beanspruchungen gewachsen ist. So müssen z. B. die Sammelschienen aus Gründen einer hinreichenden Festigkeit im Kurzschlussfall oftmals viel stärker bemessen werden, als das ihre thermische Belastbarkeit erfordert. Es erscheint deshalb notwendig, nach Wegen zu suchen, durch die erreicht wird, dass sich der Kurzschlussstrom gar nicht erst bis zu einer gefährlichen Höhe ausbilden kann, also solchen Einrichtungen den Schutz der Anlage zu übertragen, die strombegrenzend wirken, jedoch nicht mit derartigen Nachteilen behaftet sind, wie z. B. Sicherungen (nur einmaliger Verwendbarkeit, nur einpolige Abschaltschaltung usw.).
Bekannt ist auch die strombegrenzende Wirkung der Gleichstrom-Schnellschalter, die aber schon wegen ihrer Grösse für den dreipoligen Schutz von Drehstromkreisen ausscheiden.
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Es ist ein Überstromselbstschalter für Wechselstrom bekannt, bei dem zum Schutz gegen"Schweiss- wirkung"kontaktabhebender elektrodynamischer Kräfte ein vom Hauptstrom erregter Magnet vorgesehen ist, dem Kontaktsperrglieder zugeordnet sind, die, durch das Ansprechen der Magnete bei oder vor Erreichung der elektrodynamischen Abhebestromstärke betätigt, die beweglichen Schaltstück in abgehobener Lage vor der endgültigen Ausschaltstellung gegen Rückgang in die Einschaltlage sperren. Hier wird also die Kontaktabhebung zugelassen, jedoch sorgt eine vom Kurzschlussstrom erregte Magnetanordnung mit Sperrgliedern dafür, dass der abgehobene Kontakt beim nächsten Stromnulldurchgang nicht wieder am Gegenkontakt zum Anliegen kommt und verschweisst.
Entsprechend diesem Prinzip existiert bereits eine Leistungsschalterreihe.
Ein schwerwiegender Nachteil dieser Anordnung ist jedoch darin zu sehen, dass bei Kurzschlussströmen, die den für die Kontaktabhebung charakteristischen Wert noch nicht erreichen, ein Zustand so niedriger Kontaktkraft auftritt, dass zwar noch keine Abhebung, dafür aber eine zu Schäden führende Überhitzung der Kontaktstelle zu verzeichnen ist. Auch kann der Strom eine bereits zur Abhebung ausreichende Höhe haben, jedoch ist der Abhebeweg noch so gering, dass die Sperrung noch nicht einfällt. Die Kontakte verschweissen dann mit Sicherheit.
Es ist weiterhin ein Schnellschalter bekanntgeworden, bei dem die Öffnungsbewegung des Schalters unmittelbar durch die elektrodynamische Abstossung erfolgt. Hier besteht die Leiterschleife aus zwei parallel zueinander verlaufenden geraden Schienen, deren eine fest angeordnet ist und deren andere den beweglichen Kontaktarm bildet. Durch einen fremderregten Magnet, der durch den zu unterbrechenden Hauptstrom geschwächt werden kann, wird der bewegliche Kontaktarm bis zu einem bestimmten Strombetragin der Kontaktstellung gehalten. Bei dieser Anordnung tritt ein Unsicherheitsbereich dann ein, wenn die in der Leiterschleife auf dem beweglichen Kontaktarm unmittelbar wirkende elektrodynamische Abstossung gleich oder annähernd gleich der Kontaktkraft wird. Das hat einen grossen Kontaktabbrandund schliesslich ein Verschweissen der Kontaktstücke zur Folge.
Hier setzt der Erfindungsgedanke ein mit einer Anordnung, die für Schalter jeder Polzahl, Stromart, Nennstromstärke und Betriebsspannung geeignet ist und zum Ziel hat, die Kontakte im Kurzschlussfall noch vor dem Erreichen des vollen Stromwertes zu öffnen und damit durch die Einschaltung des Lichtbogens strombegrenzend zu wirken, jedoch dabei die Nachteile der beschriebenen Anordnung zu vermeiden.
Die besondere Ausbildung des erfindungsgemässen Überstromselbstschalters besteht im wesentlichen darin, dass die Strombahn oder ein Teil der Strombahn vom Anschlussstück zum festen Kontakt eine aus zwei Schleifenzweigen bestehende, einseitig durchgeknickt haarnadelförmige Leiterschleife ist, deren konvexer Zweig starr und deren konkaver Zweig zu einem Kniehebel, der mit seinen freien Enden gelagert und zumindest mit einer Lagerstelle unter der Wirkung einer Druckkraft steht, ausgebildet sind und wobei der Kniehebel bei Überstrom aus der Einschaltknicklage in die Ausschaltknicklage überspringt und dabei den beweglichen Kontakt aufschlägt und geöffnet hält.
Die Anordnung nach der Erfindung ist in Fig. l dargestellt. Vom Anschlussstück 1 des festen Kontaktes fliesst der Strom über eine feste, zu einem stumpfen Winkel ausgebildete Stromschiene 2, über das flexible Band 3, zu den zu einem Kniegelenk ausgebildeten Schenkeln 4 und 5, die im eingeschalteten Zustand parallel in geringem Abstand zur Schiene 2 liegen. Die Schenkel 4 und 5 stützen sich in einer Schneidenlagerung 7 und 8 ab, die unter der Wirkung zweier vorgespannter Federn 9 und 10 steht. Der Schenkel 5 ist über das flexible Band 11 mit dem festen Kontakt 12 verbunden. Der bewegliche Kontakt 13 wird mit der sich im Schalthebel 15 abgestützten Kontaktkraftfeder 14 gegen den festen Kontakt 12 gedrückt. Vom beweglichen Kontakt 13 fliesst der Strom über das'flexible Band 16 zum Anschluss 17.
Eine isolierende Zwischenlage 6 verhindert eine leitende Verbindung zwischen der Kniehebelanordnung und der festen Leiterschiene 2.
Die Wirkungsweise der Anordnung ist aus den Fig. l und 2 zu erkennen. Im Falle des Auftretens eines Kurzschlussstromes wirken zwischen der Schiene 2 und den ihr in geringem Abstand gegenüberstehenden Schenkeln 4 und 5 starke elektrodynamische Kräfte im Sinne einer Abstossung. Diese Kraftwirkung tritt gleichzeitig mit dem Strom auf, da bei dieser Anordnung das die Kraftwirkung hervorrufende magnetische Feld durch Luft verläuft und mit dem Strom in Phase liegt, also nicht wie bei Verwendung eines Eisenkreises dem Strom mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung nacheilt. Da der Gelenkpunkt der zum Kniehebel ausgebildeten Schenkel 4 und 5 im Ruhezustand nur wenig von der Totpunktlage entfernt ist, bedarf es nur einer geringen abstossenden Kraft zwischen den Teilen 2 sowie 4 und 5, um ihn über den Totpunkt auszulenken.
Jetzt wird die Kraft der Federn 9 und 10 frei und bewirkt, dass der Kniehebel mit grosser Wucht gegen den beweglichen Kontakt 13 schlägt und diesen entgegen seiner Federkraft öffnet und ihn auch in dieser Öffnungsstellung festhält, bis schliesslich der ganze Schalter über die gleichzeitig ein-
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geleitete Schlossauslösung endgültig öffnet. Die Kontaktöffnung erfolgt auf diese Art ausserordentlich rasch, so dass durch den entstehenden Lichtbogen bereits eine Strombegrenzung eintritt, bevor sich der Kurzschlussstrom zu seinem vollen Wert ausgebildet hat. In der Prinzipskizze Fig. 2 ist die Anordnung im eingeschalteten und im ausgelösten Zustand gezeigt.
Die entscheidenden Vorteile dieser Anordnung bestehen darin, dass es kein Stromgebiet gibt, in dem ihre Arbeitsweise unsicher wird, dass entweder die Stromhöhe ausreicht, um das Kniehebelsystem ansprechen zu lassen, wobei dann in jedem Fall die Auslösung schlagartig erfolgt, oder aber der Strom genügt noch nicht dazu, wobei dann aber die Kontakte von der Auslöseeinrichtung völlig unbeeinflusst bleiben. Ferner sind keinerlei zusätzliche Sperrglieder erforderlich, um den Zustand der Kontaktöffnung auch beim Stromnulldurchgang aufrecht zu erhalten. Weil die für die Abstossung massgebenden magnetischen Felder nur durch Luft verlaufen, erfolgt die Auslösung ausserordentlich schnell.
Der Aufwand für eine Einrichtung nach der Erfindung ist verhältnismässig gering, so dass die Konstruktion mehrpoliger Überstromselbstschalter nach diesem Prinzip keinerlei Schwierigkeiten bereitet, wobei das Gerät nicht grösser zu werden braucht, als ein Schalter gleicher Nennstromstärke bisheriger Bauart.
Auch können bei der Verwirklichung dieses Prinzips die Kontaktkräfte wesentlich niedriger gewählt werden, als das bei den bisher üblichen Schaltern notwendig ist. Dieser Umstand wirkt sich günstig auf die Lebensdauer des Gerätes aus, sowie auf die Bemessung von Einschaltkraftantrieben.
Auf einfache Art lässt sich ein bestimmter Wert der Auslösestromstärke, bei der der Kniehebel den Kontakt aufschlagen soll, einstellen, indem man die Vorspannung der Federn 9 und 10 ändert oder den Abstand zwischen der Schiene 2 und dem Kniehebel 4, 5 vergrössert oder verkleinert. Dies gestattet auch, den Schalter neben dieser Schnellstauslösung nach der Erfindung zusätzlich mit einer Schnellauslösung bisher üblicher Bauart auszurüsten, die für die Auslösung des Schalters bei kleineren Kurzschlussströmen sorgt und die auch zur Lösung von Selektivitätsproblemen beliebig verzögert sein kann. Wird jedoch eine bestimmte Kurzschlussstromhöhe überschritten, dann kommt es zur Schnellstauslösung durch die Einrichtung nach der Erfindung, wie es bei schweren Kurzschlüssen auch erwünscht ist.
Je nachdem, welche Auslöseeinrichtung (Schnell- oder Schnellstauslösung) angesprochen hat, besteht auch gleich Klarheit über die Schwere des Kurzschlusses.
Die Vorteile eines Schalterprinzips nach der Erfindung gehen jedoch bei weitem über das Gerät selbst hinaus. Sowohl die Höhe des Kurzschlussstromes wie auch seine Dauer werden auf einen Bruchteil der Werte herabgesetzt, die in Anlagen mit Geräten bisher üblicher Bauart auftreten. Sowohl die dynamische wie thermische Beanspruchung aller Anlagenteile, wie Sammelschienen, Stromwandler usw.. nehmen in hohem Masse ab und können deshalb gegebenenfalls schwächer ausgebildet werden. Schalter nach der Erfindung können in Anlagen mit höchsten Kurzschlussströmen zur Verwendung kommen, da die Ströme bereits vor ihrer vollen Ausbildung begrenzt und abgeschaltet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrischer Überstromselbstschalter, vorzugsweise für Drehstrom, dessen Kontakte auf Grund elektrodynamischer Kraftwirkung beim Auftreten eines Kurzschlussstromes öffnen, bevor der Strom seinen Scheitelwert erreicht hat, daaurch gekennzeichnet, dass die Strombahn oder ein Teil der Strombahn vom Anschlussstück (1) zum festen Kontakt (12) eine aus zwei Schleifenzweigen (2 und 4, 5) bestehende, einseitig durchgeknickte haarnadelförmige Leiterschleife (2 ; 4 ; 5) ist, deren konvexer Zweig (2) starr und deren konkaver Zweig zu einem Kniehebel (4 ; 5), der mit seinen freien Enden gelagert und zumindest mit einer Lagerstelle (8 oder 7) unter der Wirkung einer Druckkraft steht, ausgebildet sind und wobei der
Kniehebel (4 ;
5) bei Überstrpm aus der Einschaltknicklage in die Ausschaltknicklage überspringt und dabei den beweglichen Kontakt (13) aufschlägt und geöffnet hält.
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Electrical overcurrent switch
The short-circuit currents occurring in high-performance systems already reach values in the order of magnitude of Los A. In addition to the associated thermal stress on the system components, the electrodynamic forces caused by the short-circuit current in particular have an extremely harmful effect. The switching devices that are supposed to protect the system must, like them, withstand the forces. if they are not to be destroyed. It is known that the electrodynamic forces act in the sense of a contact lifting, which in most cases leads to welding of the contacts, especially with three-phase current. However, the welding leads to the prevention of switching off and thus makes the function of the switch impossible.
Since the switch-off delay of the previous overcurrent circuit breakers for three-phase systems is in the order of magnitude of 20 to 40 ms, the short-circuit current can always develop undisturbed and take full effect on the system and switch. The contact pieces then lift off when a certain current value is exceeded in each half-wave and close again when the current crosses zero. The short-circuit arc that occurs every time it is lifted off damages the contacts through severe burn-off, and finally the contacts that are liquefied at the current transition point weld together.
There has therefore been no lack of attempts to eliminate the electrodynamic contact separation.
In particular, numerous arrangements have become known in which a compensation of the contact-lifting forces should be achieved in that a suitable selection of the current conduction results in a contact force reinforcement which is intended to cancel the lifting force.
In most cases, a part of the current path was arranged in a loop shape, between the outward and return of which repulsive forces occur during the passage of the current, which are allowed to act on the contact point in the sense of a contact force reinforcement. Ultimately, such a compensation is only effective up to certain currents, above which it fails because the forces at the flow constriction become too high or the heat generated at the transition point becomes too great.
In order to maintain functional switching devices with the high short-circuit currents, in addition to compensation, extremely high contact forces must be used, which allow the short-circuit current to flow through the contacts during the switch-off delay without causing damage to them. This requires uneconomically heavy switch constructions. But not only the switching device must be dimensioned for the short-circuit current.
Since this does not limit the amount of the short-circuit current, the entire part of the system that is covered by the short-circuit current must be dimensioned in such a way that it can withstand the dynamic loads. So z. B. the busbars for reasons of sufficient strength in the event of a short circuit are often much larger than their thermal load capacity requires. It therefore seems necessary to look for ways to prevent the short-circuit current from developing up to a dangerous level, i.e. to transfer the protection of the system to such devices that have a current-limiting effect, but do not have such disadvantages are, such as B. Fuses (only one-time use, only single-pole disconnection circuit, etc.).
The current-limiting effect of direct current high-speed switches is also known, but because of their size they are not suitable for three-pole protection of three-phase circuits.
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An overcurrent circuit breaker for alternating current is known in which a magnet excited by the main current is provided to protect against the "welding effect" of electrodynamic forces that lift off the contact, to which contact blocking elements are assigned which, when the magnets respond when or before the electrodynamic lift-off current is reached, lock the movable contact piece in the raised position before the final switch-off position against falling into the switch-on position. The contact lifting is allowed here, but a magnet arrangement with blocking elements excited by the short-circuit current ensures that the lifted contact does not come to rest against the mating contact and weld when the next current zero crossing.
A series of circuit breakers already exists in accordance with this principle.
A serious disadvantage of this arrangement, however, can be seen in the fact that with short-circuit currents that do not yet reach the value characteristic for the contact lifting, a state of such low contact force occurs that although there is still no lifting, but overheating of the contact point leading to damage is recorded is. The current can also have a sufficient level for withdrawal, but the withdrawal movement is still so small that the block does not yet occur. The contacts will then weld with certainty.
A high-speed switch has also become known in which the opening movement of the switch takes place directly through the electrodynamic repulsion. Here the conductor loop consists of two parallel straight rails, one of which is fixed and the other of which forms the movable contact arm. The movable contact arm is held in the contact position up to a certain amount of current by an externally excited magnet, which can be weakened by the main current to be interrupted. With this arrangement, an area of uncertainty occurs when the electrodynamic repulsion acting directly in the conductor loop on the movable contact arm becomes equal to or approximately equal to the contact force. This results in a large amount of contact wear and ultimately welding of the contact pieces.
This is where the idea of the invention begins with an arrangement that is suitable for switches of any number of poles, current types, rated current and operating voltage and has the aim of opening the contacts in the event of a short circuit before the full current value is reached and thus limiting the current by switching on the arc , but to avoid the disadvantages of the described arrangement.
The special design of the inventive overcurrent circuit breaker consists essentially in the fact that the current path or a part of the current path from the connection piece to the fixed contact is a hairpin-shaped conductor loop consisting of two loop branches and bent on one side, the convex branch of which is rigid and its concave branch to a toggle lever which its free ends stored and at least one bearing point is under the action of a compressive force, are formed and wherein the toggle lever jumps from the switched-on kinked position to the switched-off kinked position in the event of an overcurrent and strikes the movable contact and holds it open.
The arrangement according to the invention is shown in FIG. The current flows from the connection piece 1 of the fixed contact via a fixed busbar 2 formed at an obtuse angle, via the flexible strip 3, to the legs 4 and 5, which are formed into a knee joint and which, when switched on, lie parallel to the rail 2 at a short distance . The legs 4 and 5 are supported in a blade bearing 7 and 8, which is under the action of two pretensioned springs 9 and 10. The leg 5 is connected to the fixed contact 12 via the flexible band 11. The movable contact 13 is pressed against the fixed contact 12 by the contact force spring 14 supported in the switching lever 15. The current flows from the movable contact 13 via the flexible strip 16 to the connection 17.
An insulating intermediate layer 6 prevents a conductive connection between the toggle lever arrangement and the fixed conductor rail 2.
The mode of operation of the arrangement can be seen from FIGS. 1 and 2. In the event of a short-circuit current occurring, strong electrodynamic forces act between the rail 2 and the legs 4 and 5 opposite it at a small distance in the sense of a repulsion. This force effect occurs at the same time as the current, since with this arrangement the magnetic field causing the force effect runs through the air and is in phase with the current, i.e. it does not lag behind the current with a certain time delay, as is the case when using an iron circuit. Since the hinge point of the legs 4 and 5, which are designed as toggle levers, is only a little removed from the dead center position when at rest, only a small repulsive force is required between the parts 2 and 4 and 5 in order to deflect it beyond the dead center.
Now the force of the springs 9 and 10 is released and causes the toggle lever to strike the movable contact 13 with great force and open it against its spring force and also hold it in this open position, until finally the entire switch is activated via the
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guided lock release finally opens. In this way, the contact is opened extremely quickly, so that the current is limited by the resulting arc before the short-circuit current has reached its full value. In the schematic diagram of FIG. 2, the arrangement is shown in the switched on and in the triggered state.
The decisive advantages of this arrangement are that there is no current area in which its mode of operation becomes uncertain, that either the current level is sufficient to trigger the toggle lever system, in which case the triggering occurs suddenly in each case, or the current is still sufficient not in addition, in which case, however, the contacts remain completely unaffected by the release device. Furthermore, no additional blocking elements are required in order to maintain the state of the contact opening even when the current passes through zero. Because the magnetic fields, which are decisive for the repulsion, only run through the air, the triggering takes place extremely quickly.
The cost of a device according to the invention is relatively low, so that the construction of multi-pole overcurrent circuit breakers according to this principle does not cause any difficulties, the device not needing to be larger than a switch of the same nominal current strength of the previous design.
When this principle is implemented, the contact forces can also be selected to be significantly lower than is necessary with the switches that have been customary up to now. This fact has a favorable effect on the service life of the device as well as on the dimensioning of inrush actuators.
A certain value of the tripping current strength at which the toggle lever should strike the contact can be set in a simple way by changing the preload of the springs 9 and 10 or increasing or decreasing the distance between the rail 2 and the toggle lever 4, 5. This also allows to equip the switch in addition to this quick release according to the invention with a quick release of the usual design that triggers the switch in the event of smaller short-circuit currents and which can also be delayed as desired to solve selectivity problems. If, however, a certain short-circuit current level is exceeded, then the device according to the invention triggers very quickly, as is also desired in the case of severe short-circuits.
Depending on which triggering device (quick or quick release) has responded, there is also immediate clarity about the severity of the short circuit.
The advantages of a switch principle according to the invention, however, go far beyond the device itself. Both the level of the short-circuit current and its duration are reduced to a fraction of the values that occur in systems with devices of the usual design. Both the dynamic and thermal stresses on all parts of the system, such as busbars, current transformers, etc., decrease to a great extent and can therefore be made weaker if necessary. Switches according to the invention can be used in systems with very high short-circuit currents, since the currents are limited and switched off before they are fully developed.
PATENT CLAIMS:
1.Electric overcurrent circuit breaker, preferably for three-phase current, the contacts of which open due to the effect of electrodynamic force when a short-circuit current occurs before the current has reached its peak value, characterized in that the current path or part of the current path from the connector (1) to the fixed contact (12 ) a hairpin-shaped conductor loop (2; 4; 5) which is bent on one side and consists of two loop branches (2 and 4, 5), the convex branch (2) of which is rigid and the concave branch to a toggle lever (4; 5), which with its stored free ends and is at least one bearing point (8 or 7) under the action of a compressive force, are formed and wherein the
Knee lever (4;
5) jumps from the switch-on kink position into the switch-off kink position when overstrpm and hits the movable contact (13) and holds it open.